2014年，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)保持強勁增長，累計并網(wǎng)裝機容量達到9637萬千瓦，占全部發(fā)電裝機容量的7%，占全球風(fēng)電裝機的27%。圖為我國的一個風(fēng)電場。
“能源生產(chǎn)和消費革命，關(guān)乎發(fā)展與民生。要大力發(fā)展風(fēng)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能，積極發(fā)展水電，安全發(fā)展核電，開發(fā)利用頁巖氣、煤層氣。”李克強總理在2015年《政府工作報告》中的如此表述，引發(fā)了能源界的廣泛關(guān)注。
一些業(yè)內(nèi)人士表示，2014年《政府工作報告》提及風(fēng)電、光伏等清潔能源時用的是“鼓勵發(fā)展”，而今年變成了“大力發(fā)展”，表明政府對風(fēng)電等清潔能源的支持力度將進一步加大。
在此背景下，近來又有一些專家提出，可將風(fēng)電制氫與煤化工用氫、石化用氫相結(jié)合，走多聯(lián)產(chǎn)的綠色發(fā)展之路。這，到底是一種規(guī)劃設(shè)想，還是具有工程化可行性的方案？中國化工報記者日前進行了調(diào)研采訪。
減少能源消耗，降低污染排放—— 設(shè)想或可實現(xiàn)雙贏
近幾年，我國風(fēng)電裝機容量增長迅猛，但由于風(fēng)電天生的不穩(wěn)定性造成電網(wǎng)難以消納等因素，伴生的棄風(fēng)現(xiàn)象嚴重。所謂棄風(fēng)，是指在風(fēng)電發(fā)展初期，風(fēng)機處于正常的情況下，由于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)接納能力不足、風(fēng)電場建設(shè)工期不匹配和風(fēng)電不穩(wěn)定等自身特點，導(dǎo)致的部分風(fēng)電場風(fēng)機暫停的現(xiàn)象。我國每年因棄風(fēng)而損失的電量超過100億千瓦時，造成了不小的浪費。
而我國煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，則面臨較大的二氧化碳排放壓力。按我國規(guī)劃的煤化工發(fā)展規(guī)模，到2020年煤化工排放的二氧化碳將在2億噸/年以上。如果屆時征收碳稅，將在一定程度上削弱新型煤化工的綜合競爭力。
此外，當(dāng)前我國油品正在抓緊升級。石化企業(yè)油品一般采取加氫精制的方法，對氫氣的需求日益增大。在氫氣的來源中，煤制氫、煉廠干氣制氫等方式，也存在二氧化碳的排放問題。
在這些背景之下，有業(yè)內(nèi)人士提出了這樣的設(shè)想：如果利用大規(guī)模的風(fēng)電進行電解水制氫，可以減少化石能源消耗，降低污染物排放，實現(xiàn)風(fēng)電與煤化工、石油化工的多聯(lián)產(chǎn)。
中石化經(jīng)濟技術(shù)研究院高級工程師何錚認為，提到二氧化碳，大家都會將其看作環(huán)保的宿敵，其實如果轉(zhuǎn)換看問題的角度，工廠排放的二氧化碳也是一種資源。當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電和電解水制氫已是成熟技術(shù)，而用風(fēng)電制氫不產(chǎn)生二氧化硫和二氧化碳排放，水煤氣變換反應(yīng)也是成熟的技術(shù)。通過氫氣和二氧化碳制取一氧化碳，逆變換反應(yīng)以二氧化碳和氫氣為原料，把風(fēng)力發(fā)電、發(fā)電后電解水制氫、捕集二氧化碳、逆變換反應(yīng)幾個要素組合，就能實現(xiàn)煤化工的綠色變身。何錚表示，通過捕集二氧化碳，把煤化工產(chǎn)生的二氧化碳變成了資源，相當(dāng)于將開采出的煤炭二次利用。以煤制甲醇為例，風(fēng)電電解制得的氫氣與捕集的二氧化碳，通過逆變換反應(yīng)生產(chǎn)一氧化碳，一氧化碳與氫氣生產(chǎn)甲醇，按一般甲醇生產(chǎn)工藝計，190萬噸一氧化碳和24.5萬噸氫氣，可生產(chǎn)甲醇約170萬噸，相當(dāng)于節(jié)省標煤約260萬噸，消納二氧化碳約300萬噸。
中國成達化學(xué)工程公司高級工程師李瓊玖提出，粉煤氣化生成的合成氣，其氫氣與一氧化碳的量比為0.42，而合成甲醇要求量比為2。因此，需要將多余的一氧化碳進行水蒸氣變換成二氧化碳和氫氣，則有52.6%的一氧化碳變換成氫氣，每噸甲醇需排放二氧化碳約1.53噸。如果用風(fēng)電電解水制取氫氣，煤氣化產(chǎn)生的一氧化碳就不需變換成氫氣。在相同煤耗的條件下，甲醇產(chǎn)量可增加約1倍，避免了大量二氧化碳排放。以年產(chǎn)120萬噸甲醇裝置計，可減排二氧化碳182.6萬噸。水電解分離出的氧，還可以作煤氣化用氧，代替深冷分離制氧的空分裝置，利用含一氧化碳63%的煤制合成氣作水電解的反極化劑循環(huán)制氫，可使制氫的耗電量大幅降低。這樣，風(fēng)電與煤基甲醇生產(chǎn)集成，可實現(xiàn)經(jīng)濟效益與環(huán)境效益雙贏的效果。
北京綠達源科技有限公司高級工程師鄭爾歷表示，如果采用風(fēng)電制氫的模式，風(fēng)電場就不用建設(shè)并網(wǎng)設(shè)備，風(fēng)電機組會大大簡化，風(fēng)能的利用率也可得到有效提高。而且制氫模式并不需要特別先進的技術(shù)，絕大部分是利用成熟的電解技術(shù)和氫能源應(yīng)用技術(shù)的組合。不斷擴大規(guī)模、逐步簡化設(shè)備投資、提高投入產(chǎn)出比，應(yīng)該是其未來發(fā)展的方向。
何錚認為，通過風(fēng)電制氫作油品精制加氫的氫源，可替代干氣制氫和煤制氫，替換出干氣集約化利用，改善化工生產(chǎn)的原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)綠色高端油品，實現(xiàn)煉化企業(yè)綠色生產(chǎn)質(zhì)的飛躍。他表示，我國煉化企業(yè)已經(jīng)形成環(huán)渤海、長三角和珠三角三個集群，陸上風(fēng)力裝機也具備了一定規(guī)模，海上風(fēng)能發(fā)電也開始起步。到2020年，我國海上風(fēng)電將走上規(guī)?；l(fā)展道路，已經(jīng)具備風(fēng)電制氫供油品精制加氫和煉廠干氣集約利用的基本條件。風(fēng)力發(fā)電不受燃料價格上漲的影響，未來制氫成本不會像干氣隨原油價格而上漲，再加上干氣集約化利用并帶動液化氣的集約化利用，將產(chǎn)生更大效益。這3個煉油集群地區(qū)可根據(jù)今后發(fā)展的要求，綜合考慮風(fēng)電制氫對干氣制氫的替代，在區(qū)域內(nèi)甚至區(qū)域之間建設(shè)氫氣管網(wǎng)，解決風(fēng)電制氫的間歇性問題，保障氫氣供應(yīng)。
何錚認為，風(fēng)電制氫并不是一個新思路，但與煤化工、石化產(chǎn)業(yè)聯(lián)合，可破解風(fēng)電不穩(wěn)定、并網(wǎng)難平衡的“死結(jié)”。無論什么樣的風(fēng)速，只要發(fā)電機工作就能利用，風(fēng)小電量小時電解的氫氣數(shù)量較少，風(fēng)大電量大時產(chǎn)生的氫氣就多，在整個發(fā)電制氫過程中，所有的電能都可以全部轉(zhuǎn)化為氫氣。他表示，風(fēng)電制氫多聯(lián)產(chǎn)的方式，突破了煤化工二氧化碳排放的瓶頸，是風(fēng)電、煤化工兩個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突破與升級，與石化企業(yè)需求的綠色氫源也是互補雙贏。
成本無優(yōu)勢，產(chǎn)量不匹配，儲運有瓶頸—— 工程化難度非常大
近兩年，國內(nèi)一些石化企業(yè)為了油品升級加氫的需要，都上馬了煤制氫裝置。比如，茂名石化煤制氫生產(chǎn)能力為20萬立方米/時，九江石化制氫能力為10.51萬立方米/時，恒力石化(大連)有限公司煤制氫裝置產(chǎn)能達到國內(nèi)最大，為32.1立方米/時。
從事水電解制氫業(yè)務(wù)的蘇州競立制氫設(shè)備有限公司一位銷售經(jīng)理向記者介紹，目前國內(nèi)運行的水電解制氫裝置，規(guī)模最大的為600立方米/時，1000立方米/時的裝置正在設(shè)計之中。而煤化工或石化行業(yè)一般需要10萬立方米/時的氫氣需求，就要上100套1000立方米/時的水電解制氫裝置，這不太現(xiàn)實，因為一套1000立方米/時的水電解制氫裝置投資就為700萬元。
正在從事風(fēng)電制氫論證的中船重工718研究所新能源部高級工程師白峰向記者介紹，風(fēng)力發(fā)電的上網(wǎng)價格是每千瓦時0.5元，棄風(fēng)發(fā)電的上網(wǎng)價格也要在0.25元。如果用風(fēng)力發(fā)電來電解水制備氫氣，每生產(chǎn)1立方米氫氣需要消耗電5.1～5.2千瓦時。
華東理工大學(xué)副教授周志杰等業(yè)內(nèi)人士向記者初步測算，從風(fēng)電制氫所消耗的電量看，按煤化工或石化行業(yè)一般需要的10萬立方米/時氫氣規(guī)模來計算，每小時就需耗電50萬千瓦時，每年生產(chǎn)8000小時，一年就需40億千瓦時電，所需要的電量、要建設(shè)的風(fēng)電機組很龐大。從每生產(chǎn)1立方米氫氣的成本來看，煤制氫成本不足1元，而即便按棄風(fēng)發(fā)電價格每千瓦時0.25元計算，風(fēng)電制氫僅電的成本就為1.25元，沒有競爭優(yōu)勢。
“煤化工、石化行業(yè)用氫量一般很大，用風(fēng)電制氫不合算。”白峰認為，風(fēng)電制氫還面臨其他制約環(huán)節(jié)。比如，需求氫氣的石化企業(yè)大都在沿海，而風(fēng)電機組都建設(shè)在內(nèi)陸，風(fēng)電還需借助火電的電網(wǎng)運輸；煤化工企業(yè)也并不完全靠近風(fēng)電場，氫氣運輸主要依靠車輛，運輸成本高且費時費力，如果運輸距離超過300千米就沒有經(jīng)濟性了；如果建立氫氣輸送管網(wǎng)，靠管道運輸，涉及占地拆遷等問題，難度也很大。
中國天辰工程有限公司副總工程師林彬彬表示：“風(fēng)電電解水制氫的投資很大，此外氫氣不易液化，壓縮能耗高，儲存量有限。風(fēng)電制氫用于煤化工、石化行業(yè)，在理論上可行，但工程化起來很難。氫氣也不是什么緊缺產(chǎn)品，不值得這么做。”
華東理工大學(xué)潔凈煤研究所所長于廣鎖、中石化寧波工程公司總工程師肖珍平則向中國化工報記者表示，風(fēng)電不穩(wěn)定，產(chǎn)氫量也不穩(wěn)定，與煤化工、石化項目大規(guī)模的氫氣需求不太匹配。
內(nèi)蒙古京能錫林煤化有限責(zé)任公司工程師李文明也認為，風(fēng)電制氫量太小，不能滿足煤化工企業(yè)對氫氣需要。此外，風(fēng)力發(fā)電所在地一般都缺水，煤化工項目也離不開水，而電解制氫對水資源有需求，這也是風(fēng)電制氫與煤化工結(jié)合的矛盾所在?？傊?，他認為風(fēng)電制氫的投資及消耗很大，可操作性較差。
先行實驗室試驗，再尋發(fā)展契機—— 聯(lián)產(chǎn)不會一蹴而就
針對風(fēng)電制氫多聯(lián)產(chǎn)的這些制約問題，一些業(yè)內(nèi)人士也發(fā)表了自己的看法。
“有問題是好事，關(guān)鍵是促進了更多行業(yè)內(nèi)外的人來認識、討論、論證這個事情，解決措施也就會隨之而來。我們提出這個構(gòu)想，本身是為了消除二氧化碳排放，不能因為一些問題來推翻這個大前提，并否定綠色發(fā)展這個概念。”何錚認為，隨著技術(shù)進步、材料改進，有些問題可以逐步解決。比如儲存，氫氣運輸在美國已實現(xiàn)管道運輸。美國空氣產(chǎn)品公司已成功依靠氫儲存和氫氣管網(wǎng)為墨西哥灣一帶的煉廠提供氫氣，從新奧爾良到休斯敦的氫氣管道長達1000千米，這相當(dāng)于北京到南京的距離。我國的環(huán)渤海、長三角和珠三角三個煉油集群地區(qū)也完全可以建設(shè)這樣的氫氣輸送管道，當(dāng)一個地區(qū)制氫負荷下降，可通過管道及時從其他地區(qū)增加供應(yīng)。隨著未來風(fēng)電設(shè)備單位投資下降、機組效率提高，風(fēng)電的成本、風(fēng)電制氫的成本會隨之下降。
李瓊玖則認為，對于風(fēng)電制氫，應(yīng)當(dāng)在前人開發(fā)試驗的基礎(chǔ)上，對工藝、物料、電化學(xué)過程建立數(shù)學(xué)模型，進行實驗室試驗，在取得數(shù)據(jù)后再經(jīng)過工業(yè)試驗評定，然后再進行放大設(shè)計，建設(shè)工業(yè)化生產(chǎn)裝置。
江蘇省宏觀經(jīng)濟研究院院長顧為東指出，風(fēng)電電解水制氫技術(shù)可以在大規(guī)模、超大規(guī)模風(fēng)電場利用風(fēng)能發(fā)電，通過必要的技術(shù)創(chuàng)新與集成，不經(jīng)過常規(guī)電網(wǎng)，直接用于規(guī)?；茪?，使風(fēng)電高效、低成本、低故障率地得到全部利用。不過，當(dāng)前需要進一步制定完善的規(guī)?；茪?、大容量儲氫、長距離輸氫、加氫站、氫能汽車等技術(shù)標準，積累從規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)到運行等各個環(huán)節(jié)的經(jīng)驗。
何錚認為，石化、煤化工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級不可能一蹴而就，需要積跬步而至千里。因此他建議，當(dāng)前應(yīng)對風(fēng)電、風(fēng)電制氫、替代干氣制氫、煉廠干氣和液化氣集約化利用等內(nèi)容，進行前期分析論證，發(fā)現(xiàn)最有利的地區(qū)；對逆水煤氣變換反應(yīng)提高轉(zhuǎn)化率的催化劑研究進行扶持；對風(fēng)電、電力傳輸、電解制氫、氫儲存、二氧化碳捕集和運輸、生產(chǎn)布局等方面，進行技術(shù)、標準、規(guī)則的跨行業(yè)持續(xù)交流；從多行業(yè)角度，包括環(huán)境成本和碳稅等多方面進行經(jīng)濟可行性研究；對風(fēng)電、綠色生產(chǎn)和二氧化碳減排展開跨行業(yè)合作研究，研究激勵多行業(yè)合作積極性的機制。
